CN105572058B - 样本分析仪及其吸光度测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种吸光度测量装置，包括：光源、样本放置位和用于检测放置在样本放置位上样本吸光度的样本光电探测器。其中，光源包括：发光二极管和用于向发光二极管提供驱动电流的驱动电路。由于光源采用发光二极管及其驱动电路实现。根据发光二极管寿命长的特点，能够提高光源的工作寿命。本申请还同时公开了一种包括该吸光度测量装置的样本分析仪。

Description

样本分析仪及其吸光度测量装置

技术领域

本申请涉及一种样本分析仪，尤其涉及样本分析仪的吸光度测量装置。

背景技术

生化分析仪和酶标仪是体外诊断检验的重要设备之一，目前主要的生化分析仪和酶标仪的测量系统均采用卤钨灯(作为光源)、滤光片或光栅配合光电二极管的方式。虽然该项技术已经非常成熟并得到广泛使用，但卤钨灯寿命较短，一般为500～2000h，用户在使用一段时间后即需要替换光源灯，光源灯维护费用略偏高。此外，在光源灯寿命后期可能存在稳定性较差的情况，影响测量结果。

发明内容

本申请提供一种吸光度测量装置，以延长吸光度测量装置光源的工作寿命。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种吸光度测量装置，包括：光源、样本放置位和用于检测放置在样本放置位上样本吸光度的样本光电探测器。其中，光源包括：发光二极管和用于向发光二极管提供驱动电流的驱动电路。

优选地，发光二极管为多个具有预定中心波长的发光二极管或白光发光二极管。

在一种实施例中，光源还包括用于收集并传输各发光二极管所发出的光的光传输器件，光传输器件包括用于将各发光二极管发光进行集中出射的光出射端，所述光出射端包括多个光出射点，各发光二极管发出的光通过与其对应的光出射点发出。

同一波长发光二极管对应的光出射点围绕光出射端的中心呈中心对称分布。

不同波长发光二极管对应的光出射点按照样本光电探测器直接测得的响应值由弱至强从光出射端的中心向边缘排布。

还包括光阑，光阑位于光源的光出射端和样本放置位之间。

在一种具体实例中，光传输器件为多合一光纤束；所述多合一光纤束的拆分端为光入射端，每个拆分端靠近其对应的发光二极管，多合一光纤束的聚合端为光出射端，朝向样本放置位设置，光出射端的各光纤束为光出射点。

在光入射端的各光纤束与其对应的发光二极管之间设有滤光片。

在优选的实施例中，当发光二极管的发光波长不同时，驱动电路向不同发光波长的发光二极管提供的驱动电流不同。

在另一种实施例中，光源还包括光出射端，多个发光二极管排布在光出射端面向样本放置位的一侧，并形成光出射端，同一波长的发光二极管围绕光出射端的中心呈中心对称分布，不同波长的发光二极管按照样本光电探测器直接测得的响应值由弱至强从光出射端的中心向边缘排布。

吸光度测量装置还进一步还包括：光束分离装置、参考光探测器和信息处理和控制器；光束分离装置设置在光出射端和样本放置位之间光路上，用于将光源发出的光分为用于照射样本的测量光和参考光；参考光探测器设置在光束分离装置参考光光路上，用于收集参考光；信息处理和控制器分别与驱动电路、样本光电探测器和参考光探测器连接，接收样本光电探测器和参考光探测器输出的电信号，根据所述电信号调整驱动电路输出的驱动电流。

另一种实施例中，发光二极管为白光发光二极管，吸光度测量装置还包括具有预定波长的滤光器，滤光器设置在白光发光二极管和样本放置位之间的光路上。

本申请的有益效果是：根据本申请提供的吸光度测量装置，由于采用发光二极管代替卤钨灯作为光信号的光源，相对于卤钨灯的技术方案，延长了光源灯的工作寿命，一方面，可以减少光源灯的替换频率，从而提升用户使用的便易程度；另一方面，由于延长了光源灯的工作寿命，从而能够延长吸光度测量装置的使用寿命，降低了使用成本。此外，发光二极管的功率低，能够降低能耗，并且发热小。该吸光度测量装置结构简单，易于实现。

附图说明

图1为本申请一种实施例公开的吸光度测量装置结构原理图；

图2为本申请实施例光出射端的一种形成方式示意图；

图3a为本申请实施例光出射端的一种排布方式示意图；

图3b为本申请实施例光出射端的另一种排布方式示意图；

图4a为本申请实施例图3a所示排布方式形成的光斑形状/大小示意图；

图4b为本申请实施例图3b所示排布方式形成的光斑形状/大小示意图；

图5为本申请实施例额定驱动条件下发光二极管辐射强度对比示例图；

图6为本申请实施例光信号不同出射位置的相对能量利用率示意图；

图7为本申请另一种实施例公开的吸光度测量装置结构原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

在生化分析仪和酶标仪等样本分析仪中，通常利用吸光度测量装置对被测样本进行比色测量，即利用光源依次提供不同波长的光照射样本放置位上的样本，通过光电探测器检测透过样本的光，而后将采集的光信号转换为电信号传输给分析系统进行分析处理，得到样本的吸光度。

请参考图1，图1所示为本实施例公开的吸光度测量装置结构原理图。该吸光度测量装置包括：光源1、第一会聚透镜4、样本放置位2和样本光电探测器3。样本放置位2用于放置容纳有被测样本的容器，本实施例中，以样本放置位2上放置比色皿21为例进行说明。光源1用于发射照射比色皿21的光束，第一会聚透镜4设置在光源1和样本放置位2之间的光路上，第一会聚透镜4用于会聚光源发出的光，使照射到比色皿上的光斑更加集中。样本光电探测器3接收经比色皿21中的样本作用后的光，在具体的实施例中，样本光电探测器3用于将接收的光信号进行光电转换并发送至信息处理和控制器，以进行后续的样本的光谱分析处理。在优选的具体实施例中，光源1、第一会聚透镜4、比色皿21和样本光电探测器3沿光轴10设置。

本实施例中，光源1包括多个发光二极管LED、多合一光纤束14和驱动电路(图中未示出)，各发光二极管LED为具有各自中心波长的窄带LED。多合一光纤束14作为光传输器件，包括分成多束光纤束的拆分端141和将多束光纤束集合在一起的聚合端142，多合一光纤束的拆分端141为光入射端，每个拆分端靠近其对应的发光二极管LED，多合一光纤束的聚合端142为光出射端，用于将各发光二极管发光进行集中出射，光出射端的各光纤束形成光出射点，光出射端朝向样本放置位设置，以使发出的光束照射到被测样本。

驱动电路用于向各发光二极管LED提供驱动电流，以控制二极管LED的发光时序和发光强度。在具体实施例中，多个发光二极管可以共用一个驱动电路，也可以各自具有独立的驱动电路，即一个驱动电路只为与其对应的一个发光二极管提供驱动电流。

在检测时，在驱动电路的控制下，不同波段的发光二极管LED按照一定的顺序依次点亮，每个LED发出的光线分别被耦合进入独立的光纤入射端，而这些光纤的出射端被捆扎在一起，形成如图1所示的多合一光纤束。这样多个LED输出的光线经多合一光纤束后被集中到一起，经第一会聚透镜4后照射到比色皿，并被其后端放置的样本光电探测器所接收，样本光电探测器接收到的信号被发送至信息处理和控制器，用于比色皿中样本的光谱分析。

在驱动电路的控制下，发光二极管LED可以实现快速的点亮关闭，能在很短的时间内完成所有波长的一次测量，与采用光栅分光的光度计水平相当，可以应用于高速的生化分析仪等产品。系统进行检测时，在信息处理和控制器的控制下，不同波段的发光二极管LED按照一定的顺序依次点亮，保证某一单一时刻仅有某一波长发光二极管LED发出的光线经过比色皿21并被样本光电探测器所接收，不同波长的发光二极管LED依次点亮测量完毕后即完成了一次多光谱数据采集。信息处理和控制器也可以控制发光二极管LED持续向比色皿21发出光线，样本光电探测器3持续进行多光谱数据采集，以完成被测样本随时间变化的多光谱数据记录，进而进行相应的光谱分析工作。

在优选的实施例中，各个发光二极管LED和其对应的光入射端光纤束之间还设置有滤光片12，各个发光二极管LED发出的光穿过滤光片12到达光纤束，滤光片12具有设定的波长，用于透过设定波长的光。

这种具体实施例中，采用多合一光纤束来传播光，一方面，由于光纤的柔性和长度的随意性，使得在设计发光二极管布局时更加自由，方便整体布局的设计。

在另一种具体实施例中，请参考图2，光源还包括光出射端，例如基板13，各发光二极管LED排布在基板13面向样本放置位的一侧，形成光出射端，基板13的中心即为光出射端的中心，在一具体实施例中，各发光二极管LED可以根据各自光信号的强度按照预设的规则排布。基板13为可承载发光二极管的物体，例如电路板，其横截面形状优选为圆形。

在形成光出射端11时，各发光二极管LED或者多合一光纤束的排布方式有很多种。以多合一光纤束实现光出射端11的方式为例进行说明。光出射端的一种排布方式如图3a所示，每个圆代表一束光纤，相同填充的圆代表相同波长的光纤束，图3a所示的光出射端光纤束排布方式的特点是：同一波长的光纤束集中在一起。这样带来的问题是：当点亮某一个发光二极管LED时，光出射端11仅有一部分区域有光线射出，这会导致不同发光二极管LED被点亮时比色皿21上的光斑具有差异，从而导致每一波长的光照射在比色皿21上形成的光斑大小和位置不同。请参考图4a，假设被点亮的某一发光二极管LED的光出射区域位于第一会聚透镜4的光轴上方，则该发光二极管LED发出的光线经第一会聚透镜4作用后照射到比色皿21上形成的光斑A0位于第一会聚透镜4的光轴下方，反之则光斑A0位于第一会聚透镜4的光轴上方，当其它发光二极管LED被点亮、光出射区域变化时，光斑A0的位置也会随之而改变。当有光阑限制时则比色皿上形成的光斑如图4a中A0’所示，当其它发光二极管LED被点亮、光出射区域变化时，光斑A0’的位置和形状都会随之而改变，就会影响到测量结果的准确性和一致性。为解决该问题，可以在多合一光纤束的光出射端加装光纤耦合器，但光纤耦合器成本较高，一般需要数千元。为保证不同波长的光斑在比色皿21上的一致性并保持较低的成本，本实施例公开的一种优选方式为：在光出射端和样本放置位2之间(例如第一会聚透镜4和比色皿21之间)放置有光阑，光阑用于通过光线遮挡，从而限定照射在比色皿上的光斑大小，多合一光纤束的光出射端的光纤束按照以下方式排布，请参考图3b：

第一，同一波长发光二极管对应的光出射光纤束围绕光出射端11的中心呈中心对称分布。当光出射端11的中心位于光轴上时，同一波长的光以光轴为中心对称，对称的光经第一会聚透镜4会聚在比色皿上形成的光斑同样以光轴为中心对称，因此，光纤束的这种分布，可使不同波长的光在比色皿上形成的光斑位置一致。当在第一会聚透镜4和比色皿21之间放置有光阑时，当点亮某一波段的发光二极管LED时，光出射端11的中心各个方位均有光束射出，光轴的上下左右等方位均有该波长的光线照射到第一会聚透镜4上。请参考图4b，例如同一波长的光经第一会聚透镜4会聚后形成光斑A1、A2、A3和A4等交叠形成的区域。这些光线经过光阑通光孔20后照射到比色皿21上形成光斑A，光斑A的大小、形状受光阑通光孔20的大小、形状的影响，从而可以使不同波长的光在比色皿上形成的光斑大小一致。可见，通过出射光纤束的这种特殊排布和光阑，即可以保证不同波长的光经过第一会聚透镜4后照射在被测样本上的光斑的位置和大小尽可能一致，从而提高了测量的准确性和一致性。

第二，不同波长发光二极管对应的光出射光纤束按照样本光电探测器直接测得的响应值由弱至强从光出射端11的中心向边缘排布。由于发光二极管的中心波长不同，不同波长的发光二极管光LED自身辐射强度也存在差异，样本光电探测器3对于不同辐射强度的发光二极管响应也不相同，所以在进行光强检测时可能存在某一波长光信号强度过大甚至超出了探测器的检测范围，而另一波长因强度过小导致信噪比较差的情况。为使得样本光电探测器对不同辐射强度的发光二极管的响应相同，可以通过调节发光二极管的辐射强度、光信号能量利用率和光电探测器的波长响应特性三个参数中的任意一个来实现。本实施例中，将光纤束按照样本光电探测器直接测得的响应值进行排布，样本光电探测器直接测得的响应值越弱的光纤束越靠近光出射端11的中心，样本光电探测器直接测得的响应值越强的光纤束越远离光出射端11的中心。样本光电探测器直接测得的响应值与发光二极管的辐射强度以及光电探测器的波长响应特性有关，可采用以下方法测得：通常情况下，同一波长的发光二极管具有相同的辐射强度，发光二极管发出的光不经过样本直接到达样本光电探测器，样本光电探测器感应光输出的值即为该样本光电探测器直接测得的响应值。将不同波长的发光二极管在相同测试条件下(例如采用同一光电探测器、测试位置相同、温度相同、驱动电流相同、经同样的光路等)经样本光电探测器探测，从而可得出各波长发光二极管的样本光电探测器直接测得的响应值。如果某波长的发光二极管的样本光电探测器直接测得的响应值比较小，则将该波长的发光二极管排布在内圈，如果某波长的发光二极管的样本光电探测器直接测得的响应值比较大，则将该波长的发光二极管排布在外圈，如图3b所示。当光出射端11的中心位于光轴上时，光线越偏离光轴，利用率越小，光线越靠近光轴，利用率越大，图6为光信号不同出射位置的相对能量利用率，距离光出射端中心越远，利用率越小。由此，也可以通过调整光出射端的位置来均衡化光电探测器的响应值，如果光电探测器直接测得的响应值比较小，则将光出射端和光轴的距离调近，如果光电探测器直接测得的响应值比较大，则将光出射端和光轴的距离调远。图5所示为不同波长发光二极管在额定驱动条件下样本光电探测器测得的排布前后响应值对比图，可见不同波长的发光二极管在按照本实施例方式排布后，样本光电探测器的响应更趋于一致。当然，也可以通过挑选光电探测器的波长响应特性来均衡化光电探测器的响应值。通常情况下，确定了发光二极管和光电探测器，发光二极管的辐射强度和探测器的响应特性就确定了，要想均衡化样本光电探测器直接测得的响应值，需要调整光信号的能量利用率。

当然，在其它实施例中，也可以将多合一光纤束的各光出射端顺序完全打乱，随机排布，也可以实现比色皿上光斑的一致性，但该方式在光纤芯丝数量较少的情况下效果较差，且无法实现不同波长光辐射强度的调节。

在具体实施例中，还将光出射端11设置在第一会聚透镜4的焦点位置，例如将光出射端11垂直于光轴10设置，并使其中心位于第一会聚透镜4的焦点位置。这种设置再配合以图3b所示的光出射端的排布方式，进一步改进了不同波长的光照射到比色皿上光斑的一致性。

根据本申请公开的内容，本领域技术人员还可以只采用上述排布方式的其中一个方面，并达到相应的效果，例如只使得同一波长的光出射点围绕光出射端的中心呈中心对称分布，或只使得不同波长的光出射点按照样本光电探测器直接测得的响应值由弱至强从光出射端的中心向边缘排布。当不需要保证比色皿上光斑大小一致时，也可以不需要光阑。

需要说明的是，对于以基板实现光出射端的实施例中，也可以采用上述发光二极管光纤束的排布方式在基板上排布发光二极管。同理，也可以参照上述光出射端11的位置设置基板的位置，即使基板的中心位于光轴上，优选位于第一会聚透镜4的焦点位置。

在其它的具体实施例中，还可以采用其他器件作为光传输器件，使得各发光二极管发出的光通过与其对应的光出射点集中发出。

为了使得经比色皿21透射后的光能够有效聚集地被样本光电探测器3接收采集，在一种具体实施例中，吸光度测量装置还可以进一步包括第二会聚透镜5，第二会聚透镜5设置在样本放置位2和样本光电探测器3之间，在安放第二会聚透镜5时，第二会聚透镜5的光轴应与光轴10重合。光电探测器3优选位于透镜5的焦点上。

实施例二：

由于发光二极管LED的发光强度还与驱动电流有关，驱动电流越大，发光强度越大，因此在某一实施例中，还在上述实施例的基础上根据发光二极管的辐射强度对发光二极管的驱动电流进行设计，通常情况下，所选择的同一发光波长的发光二极管具有相同的辐射强度，因此驱动电路输出的驱动电流基于被驱动的发光二极管的发光波长而确定，使得每一波长的发光二极管，对应一驱动电流，驱动电路向不同发光波长的发光二极管提供不同的驱动电流。从理论上讲，当对于不同波长根据其辐射强度的不同分别适当提高或降低其驱动电流时，探测器上响应到的不同波长发光二极管的相对辐射强度可以达到完全一致，从而避免了探测器因发光二极管辐射强度不同而导致的响应不同的问题。

当多个发光二极管共用一个驱动电路时，信息处理和控制器可以根据各发光二极管的发光时序，控制驱动电路向各发光二极管提供与该发光二极管的发光波长对应的驱动电流。

当具有多个驱动电路时，可根据发光二极管的发光波长设定各驱动电路输出的驱动电流，每个驱动电路的输出端耦合到同一波长的发光二极管。

实施例三：

发光二极管LED的辐射强度具有随温度、电流变化的特点，同时发光二极管LED在点亮初期其辐射强度也不稳定，为了保证系统的稳定性和快速测量，需要加入参考光进行补偿修正。请参考图7，本实施例公开的吸光度测量装置还包括光束分离装置61和参考光探测器62，光束分离装置61设置在光出射端11和样本放置位之间光路上，用于将光源发出的光分为透射光和反射光，对于包括第一会聚透镜4的实施例中，光束分离装置61优选设置在第一会聚透镜4和样本放置位2之间。在具体实施例中，光束分离装置61可以是分光镜，也称为二色镜。参考光探测器62设置在光束分离装置反射光光路上，用于收集经光束分离装置反射的光线。如图7所示，在第一会聚透镜4和样本放置位2之间放置一个二色镜，经第一会聚透镜4出射的光线少部分被二色镜反射至参考光探测器62，第一会聚透镜4出射的大部分光线透过二色镜和比色皿21后被样本光电探测器3接收。信息处理和控制器分别与样本光电探测器3和参考光探测器62连接，接收样本光电探测器3和参考光探测器62输出的电信号，在进行检测时根据参考光探测器62上信号的变化，对样本测量结果进行修正，从而能够消除发光二极管LED辐射强度变化对测量结果的影响，提高光谱测量的准确性和稳定性，提升了测量装置的性能。

在另外的具体实施例中，发光二极管可以为白光发光二极管，吸光度测量装置还包括具有预定波长的滤光器，滤光器设置在白光发光二极管和样本放置位之间的光路上，滤光器可以是滤光片或光栅。白光发光二极管可以有一个或多个，当一个或多个白光发光二极管集中在一起出射时，可以将滤光器设计成一个转盘，在转盘的盘面上开设多个通孔，每个通孔中安装预定波长的滤光片，不同的滤光片具有不同的波长，转轮通过转动和/或平移，将所需要波长的滤光片旋转到光路上，发光二极管发出的光经滤光片后即可得到所需要波长的光，并使所需波长的光照射到比色皿。但有多个白光发光二极管时，滤光器对应有多个滤光片，经系统控制，可使多个白光发光二极管按照设定的顺序依次点亮，每个发光二极管发出的光经其自身对应的滤光片后照射到比色皿。

本申请实施例公开的吸光度测量装置结构简单，成本低；采用发光二极管替代传统的卤钨灯提供光信号，延长了吸光度测量装置的使用寿命。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (12)

1.一种吸光度测量装置，包括光源（1）、样本放置位（2）和用于检测放置在样本放置位上样本吸光度的样本光电探测器（3），其特征在于，所述光源（1）包括：

发光二极管（LED），所述发光二极管为多个具有预定中心波长的发光二极管，多个发光二极管包括至少两个中心波长不同的发光二极管，同一波长的发光二极管为多个；

用于向发光二极管（LED）提供驱动电流的驱动电路；

光出射端，所述光出射端用于将各发光二极管发光进行集中出射，所述光出射端包括与多个发光二极管对应的光出射点，各发光二极管发出的光通过与其对应的光出射点发出，同一波长发光二极管对应的光出射点围绕光出射端的中心呈中心对称分布；

所述吸光度测量装置还包括第一会聚透镜，所述第一会聚透镜设置在光源和样本放置位之间的光路上，所述第一会聚透镜用于会聚光源发出的光，所述光出射端的中心位于所述第一会聚透镜的光轴上。

2.如权利要求1所述的吸光度测量装置，其特征在于，所述多个发光二极管（LED）排布在所述光出射端面向样本放置位的一侧，所述发光二极管对应的光出射点为该发光二极管朝向样本放置位的一端。

3.如权利要求2所述的吸光度测量装置，其特征在于，不同波长的发光二极管按照样本光电探测器直接测得的响应值由弱至强从光出射端的中心向边缘排布。

4.如权利要求1所述的吸光度测量装置，其特征在于，所述光源（1）还包括用于收集并传输各发光二极管所发出的光的光传输器件，光传输器件包括所述光出射端。

5.如权利要求4所述的吸光度测量装置，其特征在于，不同波长发光二极管对应的光出射点按照样本光电探测器直接测得的响应值由弱至强从光出射端的中心向边缘排布。

6.如权利要求4所述的吸光度测量装置，其特征在于，还包括光阑，所述光阑位于光源（1）的光出射端和样本放置位（2）之间。

7.如权利要求4所述的吸光度测量装置，其特征在于，所述光传输器件为多合一光纤束（14）；所述多合一光纤束的拆分端为光入射端，每个拆分端靠近其对应的发光二极管，多合一光纤束的聚合端为光出射端，朝向样本放置位设置，光出射端的各光纤束为光出射点。

8.如权利要求7所述的吸光度测量装置，其特征在于，还包括分别设于光入射端的各光纤束与其对应的发光二极管之间的滤光片。

9.如权利要求1所述的吸光度测量装置，其特征在于，所述驱动电路向不同发光波长的发光二极管提供的驱动电流不同。

10.如权利要求9所述的吸光度测量装置，其特征在于，有多个驱动电路，每个驱动电路的输出端耦合到同一波长的发光二极管。

11.如权利要求1-3中任意一项所述的吸光度测量装置，其特征在于还包括：

光束分离装置（61），设置在光出射端和样本放置位之间光路上，用于将光源发出的光分为用于照射样本的测量光和参考光；

参考光探测器（62），设置在光束分离装置参考光光路上，用于收集参考光；

信息处理和控制器，与样本光电探测器（3）和参考光探测器（62）连接，接收样本光电探测器（3）和参考光探测器（62）输出的电信号，根据所述电信号修正样本测量结果。

12.一种样本分析仪，包括如权利要求1-11中任意一项所述的吸光度测量装置。